Metodologii pentru dezvoltarea şi caracterizarea de dielectrici din nanocompozite polimerice cu proprietăţi electroizolante – PoNaDIP

      Director de proiect: Prof. Dr. Ing. Florin CIUPRINA

Aria tematică S/T:

      Ariile tematice Nanoştiinţe, Nanotehnologii şi Materiale (N&N, M) prezintă o importanţă intersectorială deosebită. Materialele noi, inovatoare sunt o primă cerinţă pentru obţinerea de noi produse şi dezvoltarea multor sectoare industriale în timp ce progresele în proiectare fac posibilă folosirea eficientă a energiei, economisirea resurselor şi producerea în condiţii de competitivitate a acestor materiale, permiţând dezvoltarea de procedee inovatoare în alte sectoare de la industria electronică la producerea de energie. In consecinta, exista o legătură puternică între ariile tematice N&N, M şi un număr mare de Platforme tehnologice, ilustrând clar rolul acestora de forţă motrice a inovaţiilor majore din diferite sectoare industriale.

      Prezentul proiect susţine şi se încadrează în orientările propuse în domeniul Tehnologiei materialelor de patru Platforme tehnologice având scopul comun de a îmbunătăţi competitivitatea industriei Europene folosind materiale avansate şi procese şi tehnologii de mare performanţă:

      Activităţile de cercetare ale proiectului se concentrează pe:

Rezumatul proiectului:

      Proiectul propus are un caracter puternic inter şi multi-disciplinar. Nanocompozitele polimerice sunt materialele folosite in ingineria secolului XXI, cu pieţe mari de desfacere precum transporturi, domeniul electric şi (nano)electronice, ambalaje alimentare şi construcţii. Datorită proprietăţilor lor excelente ele sunt promiţătoare în mod special în viitorul apropiat ca dielectrici şi izolatori electrici.

      Nanocompozitele polimerice sunt definite ca polimeri conţinând cantită ţi mici de nanoumpluturi. De regulă , nanoumpluturile au dimensiuni intre 1 si 100 nm, se folosesc în concentraţie de 1 – 10% (masic) şi trebuie dispersate omogen în matricea de polimer. Polimeri precum poliamidă (PA), polietilene (PE), polipropilenă (PP), etilen vinil acetat (EVA), răşini epoxi şi cauciucuri siliconice se combină cu nanoumpluturi de tipul silicat stratificat (LS), dioxid de siliciu (SiO2), dioxid de titan (TiO2) şi alumină (Al2O3). S-a semnalat efectul pozitiv al nanoumpluturilor asupra caracteristicilor electrice, a rezistenţei la înaltă tensiune şi la solicită ri termice dar sunt necesare cercetă ri mai aprofundate. Este de aşteptat, de asemenea, ca nanocompozitele să -şi menţină caracteristicile funcţionale precum efectul de barieră la gaze, rezistenţa la flacără , biodegradabilitatea, capacitatea de expandare, de a fi vopsite şi alte asemenea caracteristici, în funcţie de aplicaţii.

      Activită ţile din proiect nu sunt legate numai de cercetare ci includ, de asemenea, transfer de cunoştinţe şi inovare la cel mai înalt nivel. Proiectul propus face parte dintr-o serie coerenta de proiecte complementare naţionale şi europene referitoare la analiza la nanoscară a dielectricilor polimerici utilizaţi ca izolatori electrici. Fiecare proiect din serie are un rol specific şi, în plus, sinergia dintre ele adauga valoare suplimentară , de exemplu prin utilizarea rezultatelor experimentale obţinute într-un proiect în celelalte proiecte sau combinând cercetarea cu pregă tirea din cadrul doctoratelor.

      Proiectul de cercetare propus îşi propune să atragă şi să instruiască tineri doctoranzi români în domeniul dezvoltării de noi dielectrici nanometrici, luând în considerare că alte proiecte europene permit finanţarea cercetătorilor străini care satisfac stagii de doctorat în România. Un alt efect aşteptat îl reprezintă structurarea la nivel naţional, prin intermediul acţiunilor suport, pentru comunitatea ştiinţifică interesată în dezvoltarea nanocompozitelor polimerice, creşterea competitivităţii industriei româneşti de materiale avansate şi accesul la una sau mai multe platforme tehnologice europene şi la PC7. Fără un efort susţinut de cercetare, instruire şi transfer de cunoştinţe nu se poate imagina atingerea acestor ţeluri. Proiectul va îmbogăţi rezervorul de studii, modele, teorii despre nanodielectricii polimerici cu noi metode şi tehnici de obţinere şi caracterizare a nanocompozitelor polimerice de înaltă performanţă.

      Impreună cu partenerii noştri europeni, scopul cercetărilor este în primul rând, dezvoltarea, nu numai la nivel de laborator ci şi industrial, a unor metode eficiente de obţinere a nanocompozitelor polimerice. In acest fel se va crea o bază de date sigure şi reproductibile necesare extinderii cercetării în domeniul nostru. Probele realizate în prima etapă vor fi caracterizate prin metode şi cu instrumente analitice performante iar datele obţinute în această investigaţie vor fi corelate cu prorpietăţile lor (electrice, termice, mecanice, etc/. Intr-o altă etapă cercetările se vor concentra pe clarificarea fenomenelor la interfaţa dintre nanoparticule şi polimerul matrice combinând rezultatele experimentale cu modele de interfaţă. Aceste fenomene depind de tipul nanoparticulelor, proprietăţile fizice şi chimice ale suprafeţei lor, tipul agenţilor de cuplare fizici şi chimici folosiţi pentru pentru a îmbunătăţi compatibilitatea între faze (organică – anorganică sau organică – organică), tipul şi concentraţia agenţilor de dispersie şi sau compatibilizare şi natura matricei polimerice.

      Proiectul urmareste, de asemenea, crearea unui forum al cercetării care să promoveze cooperarea internaţională pentru a uşura şi accelera cercetările în domeniu.

      In final, materialele realizate în cadrul acestui proiect vor fi clasificate indicând posibilele lor aplicaţii.

Direcţii, priorităţi, obiective, stadiul existent

      In 6 Iulie 2005 Comisia Europeană a adoptat planul 243 Nanoştiinţe şi nanotehnologii: Un plan de acţiune pentru Europa 2005 – 2009 (COM(2005) 234) care defineşte o serie de acţiuni coerente şi interconectate pentru implementarea imediată a unei strategii sigure, integrate si responsabile pentru N&N. Aceste acţiuni sunt:

      Directoratul General al Comisiei Europene stipulează principalele obiective ale ariei tematice Nanoştiinţe, Nanotehnologii “Intensificarea şi susţinerea transferului de tehnologie generat în acest domeniu revoluţionar către toate sectoarele industriale”, având ca priorităţi: extinderea cunoştinţelor referitoare la fenomenele dependente de mărime, dimensiune şi geometrie; extinderea limitelor de control ale proprietăţilor de material pentru micro-, macro-aplicaţii; tehnologii nano- şi de mare precizie în chimie; extinderea cunoştinţelor care să susţină noile evoluţii în electronică. Principalul obiectiv al ariei tematice Materiale este “Generarea de noi cunoştinţe care fac posibilă realizarea de noi produse şi procese industriale, exploatarea potenţialului abordării interdisciplinare în cercetarea materialelor”, cu priorităţile: materiale special concepute cu anumite proprietăţi şi prelucrabilitate îmbunătăţită instrumente de inscredere pentru proiectare şi simulare in ingineria materialelor; integrarea la nivel nano-molecular-macro în tehnologia chimică şi industriile prelucrătoare de materiale; noi materiale nano-, bio-, hibride incluzând proiectarea şi controlul procesului lor de fabricatie. Pornind de la aceste priorităţi, cele patru platforme tehnologice ce au legatura cu acest proiect, au urmatoarele prioritati in Agenda lor Strategică de Cercetare referitoare la Nanoştiinţe, Nanotehnologii şi Materiale:

      Societatea de Dielectrici şi Izolatori Electrici IEEE şi-a concentrat activitatea în ultimii 5 ani pe dielectrici nanocompozite, câteva numere ale principalei sale publicaţii ““IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation” fiind dedicate situaţiei acestui domeniu de cercetare. Ultimele articole asupra acestui subiect ale publicaţiei prezintă rezultate ale cercetării despre dielectrici şi sisteme electroizolante. Tanaka şi colaboratori prezintă tipurile de nanocompozite, metode de prelucrare şi fabricaţie disponibile şi date la zi asupra proprietăţilor lor electrice Rezultatele lor sunt foarte încurajatoare, noile materiale prezentând proprietăţi izolante şi siguranţă îmbunătăţite: “Nanocompozitele polimerice vor aduce mai multă inovaţie în tehnologiile dielectricilor şi izolatorilor”. Aceast lucru este susţinut şi de alte lucrări din aceeaşi publicaţie. De exemplu se arată în articolul lui Kosako şi colaboratori că degradarea suprafeţelor prin descărcări parţiale este mult redusă prin încorporarea în hârtie de nano-foiţe rezistente la descărcări. Montanari şi colaboratori confirmă faptul că dispersia sarcinii spaţiale, conductivitatea şi tensiunea de străpungere a EVA şi PP se îmbunătăţesc prin adăugarea de nanoumpluturi. Brosseau arată că modelele convenţionale pentru răspunsul dielectric al amestecurilor, precum modelul Bruggeman, nu pot fi folosite pentru evaluarea comportării acestor sisteme nanocompozite, confirmând importanţa considerării interfeţei (numită şi “zonă de interacţie”). Intr-un anumit sens mono-straturile pot fi considerate arhetipuri ale regiunilor de interfaţă în nanocompozite. Iwamoto ia în considerare acest aspect şi arată că, măsurarea curentului de deplasare Maxwell cuplată cu masuratori optice SHG permite detecţia polarizării de suprafaţă fiind astfel utilă în determinarea gradului de orientare ale dipolilor stratului. Rolul interfeţei a fost subliniat de Lewis şi de Roy şi colaboratori. Există şi o abordare a subiectului din punct de vedere industrial, foarte importanta pentru noi toti, care ridică problema modului în care nano-dielectricii pot fi exploataţi din punct de vedere comercial.

      Este clar în acest moment că nu se pot obţine progrese în nano-dielectrici numai de către specialişti în chimie, fiind necesar un effort coerent, multi-disciplinar a cercetătorilor din chimie, fizică, matematică, ştiinţa calculatoarelor şi ingineria electrică. Este exact încercarea făcută în cadrul acestei propuneri.

Rezultate semnificative obţinute şi modalităţi de aplicare

      Nanocompozitele polimerice pot fi mai avantajoase pentru domeniul dielectricilor şi a izolatorilor electrici comparativ cu compozitele tradiţionale atât în privinţa proprietăţilor electrice şi termice cât şi mecanice. Acest aspect se materializează tehnologic in proiectarea compactă a echipamentelor electrice de înaltă siguranţă şi în reduceri substanţiale de cost pentru integrarea sistemelor şi întreţinere. Deoarece această trasătură derivă din caracteristicile mezoscopice ale zonelor la interfaţa matrice polimerică – nanoumplutură, un nou domeniu academic se deschide pentru dielectrici şi izolatori electrici care necesită şi folosirea mecanicii cuantice. Aceste zone de interacţie trebuie corelate cu volumul liber şi distribuţia capcanelor pentru purtătorii de sarcină (goluri şi capcane adânci), care vor fi mai departe explorate. Pentru obţinerea de nanocompozite excelente dar cu pret de cost scăzut este necesară dezvoltarea tehnologiilor de prelucrare ale materialelor existente astfel încât să se adapteze realizării dielectricilor şi izolatorilor electrici. Rezultatele sunt prezentate succint In continuare :

Efectul nanostructurării

  1. Conductivitatea în curent continuu creşte sau descreşte în funcţie de condiţiile de măsurare. Se sugerează introducerea capcanelor adânci.
  2. Polarizarea de interfata poate fi redusă comparativ cu microcompozitele.
  3. Este posibilă o anumită reducere a permitivităţii datorită nanostructurării, dar modificarea permitivităţii ca şi a tan d este complicată şi neconcludentă. Este necesară aprofundarea investigării proceselor de obţinere pentru o dispersie omogenă la nanoscară a umpluturii.
  4. Sarcina spaţială, TSC şi EL dau, de asemenea, rezultate complexe în domeniul valorii de prag şi cantităţii. Poate fi folosită introducerea unor niveluri adiţionale pentru goluri şi capcane adânci ca şi mărirea densităţii capcanelor. Toate acestea ar putea fi in stransa legatura cu zonele de interfata. Este deci necesară caracterizarea chimică şi fizică a zonelor de la interfaţa dintre nanoumpluturi şi matricea polimerică.
  5. Imbunatatire rezistentei la descarcari partiale. Este necesară clarificarea rolului nanoumpluturilor şi a zonelor de interfaţa.
  6. Prin folosirea unor metode adecvate de obţinere a nanocompozitelor conductivitatea termică şi temperatura de tranziţie vitroasa se pot îmbunătăţi.

Proprietăţile nanocompozitelor polimerice

  1. Proprietăţile electrice şi termice ca şi cele mecanice se pot îmbunătăţi prin nanostructurarea compozitelor polimerice. Nanocompozitele polimerice sunt avantajoase comparativ cu compozitele convenţionale deoarece cantitatea mică de nanoumplutură folosită nu modifică semnificativ caracterisiticile de bază ale polimerului şi comportarea la prelucrare.
  2. Principalele tehnologii de obţinere sunt metodele de intercalare, metoda sol-gel, formarea compozitului la scară moleculară şi dispersarea directă a nanoumpluturii fiind necesară dezvoltarea lor pentru obţinerea unor materiale mai bune şi mai ieftine caracterizate prin zonde de interfata puternice.
  3. Principalele părţi ale nanocompozitelor sunt matricea polimerică, nanoumplutura şi interfaţa. Rolul lor trebuie studiat prin prisma caracteristicilor de material care interesează în mod special
  4. Zonele de la interfaţă trebuie în mod special caracterizate din punct de vedere fizic şi chimic.
  5. Capcanele adânci şi golurile trebuie studiate şi corelate cu caracteristicile fizico-chimice ale interfeţei. Este necesară stabilirea unei teorii pentru modificarea nivelului şi densităţii capcanelor.
  6. Zonele de la interfaţă fiind mezoscopice ca natură, se deschide o abordare complet nouă în studiul dielectricilor şi izolatorilor care necesită consideraţii bazate pe mecanica cuantică şi statistică.
  7. Nanocompozitele din polimeri termoplastici rezistenţi la temperatură sunt benigne faţă de mediu datorită reciclabilităţii. Pot astfel înlocui răşinile termorigide care nu se pot recicla.
  8. Polimerii biodegradabili precum acidul polilactic pot fi şarjaţi cu nanoumpluturi. Se aşteaptă ca nanocompozitele cu PLA să reprezinte o nouă generaţie de materiale ecologice pentru izolatorii electrici.

Aplicaţii

  1. Nanocompozitele polimerice au fost studiate în perspectiva utilizării viitoare ca electroizolaţii pentru aparatele de putere şi cablurile de forţă, izolatori utilizaţi în exterior şi conductori izolaţi pentru tehnologii de înaltă putere precum şi plăcuţe de circuit imprimat pentru aparatură electronică.
  2. Izolaţiile pot fi mai compacte în cazul folosirii nanocompozitelor polimerice, conducând la reducerea costului total al aparatului şi montajului.
  3. Siguranţa în funcţionare se poate îmbunătăţi folosind nanocompozite polimerice, rezultând costuri mai mici de întreţinere.
  4. Nanocompozitele polimerice vor aduce mai multă inovaţie în tehnologiile de obţinere a dielectricilor şi izolatorilor.

Unităţi C-D cu preocupări în domeniu

      La nivel european, principalele unităţi C-D în domeniul nanodielectricilor sunt Universitatea din Wales şi Universitatea din Leicester din Marea Britanie, Laboratorul de Tensiune Inaltă şi Ingineria Materialelor – Departamentul de Inginerie Electrică a Universităţii din Bologna - Italia, Institutul de Chimie Macromoleculară a Universităţii Albert-Ludwig din Freiburg – Germania şi Laboratorul de Inginerie Electrică a Universităţii Toulouse III – Franţa. Toate universităţile importante din Europa, inclusiv România, au echipe de cercetare au echipe de cercetare interesate în diferite tipuri de nanocompozite. Principalele institute româneşti de C-D cu preocupări în acest domeniu sunt: Institutul National de C-D în Chimie şi Petrochimie ICECHIM Bucureşti (unul dintre partenerii acestui proiect), Institutul National de C-D în Microtehnologii IMT Bucureşti şi Institutul National de C-D în Fizica Materialelor Măgurele. Cele mai multe echipe de cercetare sunt interesate în îmbunătăţiri structurale şi tehnologice şi mai puţine în comportarea nanodielectricilor ca izolatori electrici, unul dintre obiectivele importante ale proiectului nostru.

Potenţiali utilizatori

      Consorţiul naţional PoNaDIP include, printre instituţiile publice, o companie privată, ELJ. Această companie, care va fi principalul beneficiar al rezultatelor cercetării, proiecteză şi fabrică cele mai complexe echipamente electronice de putere (înaltă) pentru investiţii industriale. Oferta ELJ pentru domenii caracterizate prin standarde înalte de calitate (precum: nuclear, militar, energetic şi cale ferată) a determinat specialiştii ELJ să-şi concentreze eforturile spre realizarea unei structuri de echipament bazată pe un hard unic şi soft adaptat la aplicaţie, folosind componente şi materiale cu cea mai înaltă performanţă şi siguranţă în funcţionare.

      In secolul XXI în care ne aflăm, devine din ce în ce mai evident că următoarele frontiere tehnologice nu vor fi deschise printr-o mai bună înţelegere şi aplicare a unui anumit material ci, mai ales, prin înţelegerea şi optimizarea combinaţiilor de materiale şi a funcţiei lor sinergetice, estompând astfel diferenţa dintre un material şi un dispozitiv funcţional cuprinzând materiale distincte. Descoperirea de noi materiale cu proprietăţi create pentru o anumită aplicaţie şi modul de a le obţine reprezintă punctul critic in dezvoltarea de noi afaceri în multe domenii industriale. Cererea de tehnologii ale viitorului se traduce direct în cererea din ce în ce mai imperioasă de materiale noi, cu anumite proprietăţi intrinseci, costuri de prelucrare şi fabricaţie, atribute de sănătate şi mediu şi reciclabilitate, cu accent pe eco-eficienţă.

Stiinţa materialelor nanodielectrice se ocupă cu proiectarea şi obţinerea nanodielectricilor, un domeniu în care chimia joacă, evident, un rol central dar există şi o întrepătrundere importantă cu domeniile ingineriei electrice, biotehnologiei, calculelor stiintifice aplicate materialelor şi fizică. Stiinţa materialelor nanodielectrice a contribuit substanţial în alte domenii incluzând: materiale plastice moderne, vopseluri, textile şi materiale electronice. Dar in viitor se deschid posibilităţi şi provocări şi mai mari. Tehnologia materialelor este vitală pentru toate domeniile ştiinţifice şi tehnologice ca şi pentru nevoile societăţii referitoare la energie, tehnologia informaţiei şi comunicaţiile (ICT), sănătate, calitatea vieţii, transporturi şi protecţia cetăţeanului. Acesta este motivul pentru care proiectul propus tinteste exact motorul societatii bazată pe cunoştinţe. Efectul social al celei mai puţin importante inovaţii sau îmbunătăţiri la nivelul materialelor nanostructurate este amplificat de mii de ori. Analiza completă a ciclului de viaţă a noilor produse dezvoltate şi luarea în calcul a tuturor componentelor ecologice şi socio-economice va permite creşterea şi crearea locurilor de muncă în Aria Economică Europeană (EEA). Stiinţa materialelor va juca un rol important în soluţionarea unor nevoi urgente ale societăţii şi în creşterea calităţii vieţii cetăţenilor europeni. Seria de noi tehnologii şi oportunităţi care oferă descoperirea mai rapidă a noilor materiale, o mai bună caracterizare, un control mai direct la nivel molecular al proprietăţilor şi o proiectare şi simulare mai precisă va conduce la satisfacerea noilor cerinte de performanta.

All Content, Images, Video, Text, and Software is © Copyright 2005-2006. All Rights Reserved.